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永磁交流伺服系统及其先进控制策略研究

作　者: 严帅
导　师: 徐殿国
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 永磁交流伺服系统电流控制死区补偿微粒群优化算法多采样率观测器
分类号: TM921.541
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着电力电子技术、微型计算机技术、稀土永磁材料技术和现代控制理论的飞速发展,永磁交流伺服系统作为工业机器人、数控机床等先进自动化设备驱动装置的关键部件,其技术已经达到了很高的水平,其性能直接决定着设备的运行能力,其应用遍及现代化工业生产的诸多领域。我国目前所使用的永磁交流伺服系统绝大多数依赖进口,严重制约了我国在机器人、数控技术和自动化装备方面的发展。数字化永磁交流伺服系统是目前伺服系统发展的主流。本文在国家高技术研究发展计划(863计划)以及台达电力电子科教发展基金的资助下,从控制策略和实际系统两个方面对永磁交流伺服系统进行了深入的研究,研究内容包括以下几个方面:全数字化永磁交流伺服系统的研制。本文作者研制了基于DSP的全数字化的永磁交流伺服系统,根据商用伺服驱动器的基本要求设计了各种控制模式及I/O接口和网络通讯等功能,设计开发了操作面板的菜单界面及相应的上位机监控软件,为今后的产业化提供了基础,为永磁交流伺服系统的深入研究搭建了良好的实验平台。改进的电流前馈解耦控制策略的研究。为了提高电机电感和电阻参数变化时的永磁交流伺服系统电流控制方法的鲁棒性和解耦能力,在转子同步坐标系下,创建了基于二自由度的电机电流控制的统一框架理论,研究了反馈增益的四种不同取值方法,并且利用闭环传递函数的奇异值曲线理论,对于这四种电流控制方法的鲁棒性和解耦能力进行较为深入的分析,理论分析和实验结果证明改进的电流前馈解耦控制策略具有较好的鲁棒性和较强的解耦能力。基于在线自适应参数辨识的逆变器输出电压非线性畸变补偿方法。PWM电压源型逆变器的死区设置会使输出电压出现非线性畸变,进而引发电流畸变等死区效应。在转子同步坐标系下,通过电机参数的在线自适应辨识,借助于一个中间参数,对逆变器输出电压的非线性畸变进行了较好的补偿,实验结果证明了该方法一定程度上改善了dq轴电流波形。基于微粒群算法的速度控制器参数优化设计。推导分析了微粒群算法的基本原理及其改进方法,并且讨论二维微粒群算法的收敛性,参数的选择方法和微粒群算法的性能评价函数。在此基础上,提出了基于微粒群优化算法的永磁交流伺服系统速度控制器参数优化设计方法,仿真和实验结果证明了使用该方法进行控制器的参数优化设计具有算法简单,实现容易,收敛速度快和寻优能力强等优点。针对各种数字滤波算法以及传统的瞬时转速观测器无法保证在使用较低分辨率码盘时电机低转速情况下的系统稳定性这一难题,提出了一种基于多采样率预报观测器和多采样率现时观测器进行电机低转速的检测方法,并研究了多采样率观测器的极点配置以及反馈增益的求取等问题。仿真和实验结果证明多采样率观测器能够保证系统在低分辨率码盘时电机低转速下的稳定性,提高了电机低转速的检测性能,拓宽了系统的调速范围。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第1章绪论  14-28
  1.1 研究的目的和意义  14-15
  1.2 永磁交流伺服系统控制策略发展现状  15-26
    1.2.1 控制理论概述  16-17
    1.2.2 电流控制策略  17-20
    1.2.3 逆变器死区补偿方法  20-21
    1.2.4 控制器参数整定技术  21-23
    1.2.5 位置/速度检测方法  23-26
  1.3 本文主要研究内容  26-28
第2章永磁交流伺服系统设计  28-51
  2.1 引言  28
  2.2 永磁同步伺服电机参数测试  28-34
    2.2.1 电机设计指标  28-31
    2.2.2 电机参数测试  31-34
  2.3 伺服驱动器设计  34-41
    2.3.1 主电路设计  36-37
    2.3.2 控制电源设计  37
    2.3.3 保护电路设计  37-39
    2.3.4 控制电路设计  39-41
  2.4 上位机软件设计  41-42
  2.5 PMSM 数学模型及矢量控制  42-47
    2.5.1 PMSM 数学模型  42-45
    2.5.2 PMSM 矢量控制  45-47
  2.6 永磁交流伺服系统性能测试  47-50
    2.6.1 电压电流测试  48
    2.6.2 系统性能测试  48-50
  2.7 本章小结  50-51
第3章永磁交流伺服系统电流控制策略研究  51-66
  3.1 引言  51
  3.2 PMSM 矩阵方程  51-52
  3.3 同步坐标系下的PI 电流控制  52-53
  3.4 基于二自由度的电流控制  53-58
    3.4.1 前馈解耦控制  54-55
    3.4.2 反馈解耦控制  55-56
    3.4.3 改进的前馈解耦控制  56-57
    3.4.4 改进的反馈解耦控制  57-58
  3.5 控制性能分析  58-62
  3.6 实验结果分析  62-65
  3.7 本章小结  65-66
第4章逆变器死区效应分析与补偿  66-79
  4.1 引言  66
  4.2 死区效应分析  66-72
  4.3 死区补偿算法  72-75
  4.4 实验结果分析  75-78
  4.5 本章小结  78-79
第5章基于微粒群优化算法的速度控制策略研究  79-92
  5.1 引言  79
  5.2 微粒群优化算法  79-83
    5.2.1 基本微粒群算法  79-81
    5.2.2 PSO 算法二维问题收敛性分析  81-82
    5.2.3 PSO 算法的参数选择  82-83
    5.2.4 微粒群算法的改进  83
  5.3 性能评价函数  83-84
  5.4 基于微粒群算法的速度控制参数优化设计  84-91
  5.5 本章小结  91-92
第6章基于多采样率观测器的低速度检测技术研究  92-105
  6.1 引言  92
  6.2 常规转速检测方法  92-94
  6.3 传统的低转速观测器设计  94-96
  6.4 多采样率观测器原理  96-99
    6.4.1 多采样率预报观测器  96-98
    6.4.2 多采样率现时观测器  98-99
  6.5 基于多采样率观测器的低速度检测技术  99-104
  6.6 本章小结  104-105
结论  105-107
参考文献  107-120
攻读博士学位期间发表的学术论文  120-122
致谢  122-123
个人简历  123

永磁交流伺服系统及其先进控制策略研究

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